DE102020213312A1

DE102020213312A1 - Vorrichtung zum Bereitstellen einer Betriebsleistung für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug und Verfahren zum Wandeln einer Betriebsspannung

Info

Publication number: DE102020213312A1
Application number: DE102020213312.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Seemann; Andre Ehrsam; Martin Mach; Štepán Zbynek; Vladimír Dvorák; Gabriel Scherer; Matthias Engicht
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2022-04-28
Also published as: WO2022084245A1; CN116457235A; US20230382227A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (102) zum Bereitstellen einer Betriebsenergie (110) für einen Zusatzantrieb (106) für ein Elektrofahrzeug (100) vorgestellt. Die Vorrichtung (102) weist eine Batterieschnittstelle (112) zum Verbinden der Vorrichtung (102) mit einer Fahrzeugbatterie (104) auf. Außerdem einen bidirektionalen Wechselrichter (114) mit einem ersten Anschluss zum Verbinden des Wechselrichters (114) mit der Batterieschnittstelle (112) und einem zweiten Anschluss. Der Wechselrichter (114) ist ausgebildet, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und um eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Die Vorrichtung (102) weist eine Schaltereinrichtung mit einem Schalteranschluss auf, der die Schaltereinrichtung mit dem zweiten Anschluss, mit einer Zusatzschnittstelle (116) zum Verbinden der Vorrichtung (102) mit dem Zusatzantrieb (106) und mit einer Ladeschnittstelle zum Einspeisen elektrischer Energie in die Vorrichtung (102) verbindet. Die Schaltereinrichtung ist ausgebildet, um die Ladeschnittstelle mit dem Schalteranschluss und mit der Zusatzschnittstelle (116) zu verbinden. Die Vorrichtung (102) weist eine Steuereinrichtung auf zum Bereitstellen des Boostsignals und des Ladesignals auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Betriebsleistung für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug und auf ein Verfahren zum Wandeln einer Betriebsspannung für ein Elektrofahrzeug mit einer Vorrichtung.
In der Industrie gewinnt elektrifiziertes Fahren im Zuge der Umweltfreundlichkeit immer mehr an Bedeutung mit dem Ziel, nicht nur Personenkraftwagen, sondern auch Nutzfahrzeuge elektrisch anzutreiben.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Bereitstellen einer Betriebsleistung für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Wandeln einer Betriebsspannung für ein Elektrofahrzeug gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Möglichkeit geschaffen, um stationär betriebene Anwendungen eines elektrifizierten Fahrzeugs, vorteilhafterweise eines Nutzfahrzeugs, mittels einer Fahrzeugbatterie zu bestromen und zugleich einen Energievorrat in der Fahrzeugbatterie sicherzustellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass während des Betreibens eines Zusatzantriebs die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden kann.
Es wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Betriebsleistung für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug vorgestellt. Die Vorrichtung weist dazu eine Batterieschnittstelle, einen bidirektionalen Wechselrichter, eine Schaltereinrichtung sowie eine Steuereinrichtung auf. Die Batterieschnittstelle ist ausgebildet, um die Vorrichtung mit einer Fahrzeugbatterie des Elektrofahrzeugs zu verbinden. Der bidirektionale Wechselrichter weist einen ersten Anschluss zum Verbinden des Wechselrichters mit der Batterieschnittstelle und einen zweiten Anschluss auf und ist ausgebildet, um ansprechend auf ein Boostsignal eine an dem ersten Anschluss anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln und an den zweiten Anschluss bereitzustellen. Weiterhin ist der Wechselrichter ausgebildet, um ansprechend auf ein Ladesignal eine an dem zweiten Anschluss anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und an den ersten Anschluss bereitzustellen. Die Schaltereinrichtung weist einen Schalteranschluss auf, der die Schaltereinrichtung mit dem zweiten Anschluss des Wechselrichters, mit einer Zusatzschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit dem Zusatzantrieb und mit einer Ladeschnittstelle zum Einspeisen elektrischer Energie in die Vorrichtung verbindet. Dabei ist die Schaltereinrichtung ausgebildet, um die Ladeschnittstelle unter Verwendung eines Schaltsignals mit dem Schalteranschluss zu verbinden und um die Ladeschnittstelle unter Verwendung des Schaltsignals mit der Zusatzschnittstelle zu verbinden. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, um für eine Boostfunktion das Boostsignal bereitzustellen und um für eine Ladefunktion das Ladesignal bereitzustellen.
Die Vorrichtung kann beispielsweise Teil eines Elektrofahrzeugs sein oder in ein Elektrofahrzeug eingebaut werden. Das Elektrofahrzeug kann beispielsweise als ein elektrifiziertes Nutzfahrzeug realisiert sein. Ein Nutzfahrzeug kann beispielsweise ein Bagger oder ein Lastkraftwagen sein, der beispielsweise einen Krananhänger aufweist. Der Zusatzantrieb kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine über eine Fortbewegung des Fahrzeugs hinausgehende Funktionalität bereitzustellen. Beispielsweise kann der Zusatzantrieb verwendet werden, um eine Baggerschaufel oder einen Kran des Elektrofahrzeugs anzutreiben. Die Schaltereinrichtung kann beispielsweise eine Mehrzahl von Schaltern aufweisen, die beispielsweise je nach einer gewünschten Funktion geöffnet und geschlossen werden können. Beispielsweise kann eine Zusatzfunktion des Elektrofahrzeugs, wie das Antreiben des Krans, bewirkt werden. Wird beispielsweise die Ladeschnittstelle mit dem Schalteranschluss verbunden, so kann vorteilhafterweise ein Teil der elektrischen Leistung als Ladeleistung zum Laden der Fahrzeugbatterie an den Wechselrichter bereitgestellt werden. Wird beispielsweise die Ladeschnittstelle mit der Zusatzschnittstelle verbunden, so kann zumindest ein weiterer Teil der elektrischen Leistung als Zusatzleistung zum Betreiben des Zusatzantriebs an die Zusatzschnittstelle bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise ist es dadurch nicht notwendig, eine Batteriegröße der Fahrzeugbatterie zu vergrößern. Stattdessen wird vorteilhafterweise eine Doppelfunktion der Fahrzeugbatterie möglich.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um das Ladesignal bereitzustellen, wenn ein aktueller Leistungswert der an der Ladeschnittstelle anliegenden elektrischen Energie größer ist als ein Sollwert für die Betriebsleistung. Das Ladesignal kann dabei beispielsweise ein Bereitstellen der Ladeleistung an den Wechselrichter und die Zusatzleistung an die Zusatzschnittstelle bewirken. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Ladefunktion aktiviert. Vorteilhafterweise kann dadurch der Zusatzantrieb angetrieben und gleichzeitig die Fahrzeugbatterie aufgeladen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um das Ladesignal bereitzustellen, wenn eine aktuelle Drehzahl des Zusatzantriebs größer ist als eine Solldrehzahl des Zusatzantriebs. Die aktuelle Drehzahl kann vorteilhafterweise mittels eines Drehzahlmessers erfasst werden.
Die Steuereinrichtung kann weiterhin ausgebildet sein, um das Boostsignal bereitzustellen, wenn ein aktueller Leistungswert der an der Ladeschnittstelle anliegenden elektrischen Leistung kleiner ist als ein Sollwert für die Betriebsenergie. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Boostfunktion bewirkt werden, indem beispielsweise eine von der Fahrzeugbatterie bereitgestellte Boostenergie an die Zusatzschnittstelle bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, um das Boostsignal bereitzustellen, wenn eine aktuelle Drehzahl des Zusatzantriebs kleiner ist als eine Solldrehzahl des Zusatzantriebs. Die aktuelle Drehzahl kann vorteilhafterweise mittels eines Drehzahlmessers erfasst werden. Vorteilhafterweise kann durch das Boostsignal die Boostfunktion aktiviert werden, sodass vorteilhafterweise die Drehzahl des Zusatzantriebs angepasst werden kann.
Die Vorrichtung kann ferner eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer elektrischen und zusätzlich oder alternativ einer mechanischen Leistung des Zusatzantriebs und zum Bereitstellen eines aktuellen Leistungssignals an eine Schnittstelle zu der Steuereinrichtung aufweisen. Das Leistungssignal kann die elektrische und zusätzlich oder alternativ die mechanische Leistung des Zusatzantriebs repräsentieren. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise als ein Leistungsmesser oder beispielsweise als ein Drehzahlmesser realisiert sein. Die zu erfassende elektrische und zusätzlich oder alternativ mechanische Leistung kann sich beispielsweise auf die bereitgestellte Betriebsenergie oder auf die aktuelle Drehzahl beziehen. Vorteilhafterweise ist die Erfassungseinrichtung zwischen der Zusatzschnittstelle und dem Zusatzantrieb angeordnet und kann beispielsweise als eine Sensoreinheit realisiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Schaltereinrichtung eine Bestromungsschnittstelle zum Bestromen eines mit der Bestromungsschnittstelle gekoppelten Geräts aufweisen. Dabei kann die Schaltereinrichtung ausgebildet sein, um den Schalteranschluss unter Verwendung des Schaltsignals mit der Ladeschnittstelle, der Zusatzschnittstelle und zusätzlich oder alternativ der Bestromungsschnittstelle zu verbinden. Vorteilhafterweise kann ein fahrzeugexternes Gerät mit der Bestromungsschnittstelle verbunden werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Schaltereinrichtung eine Antriebsschnittstelle zum Bestromen eines mit der Antriebsschnittstelle verbundenen Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs aufweisen. Die Schaltereinrichtung kann dabei ausgebildet sein, um den Schalteranschluss unter Verwendung des Schaltsignals mit der Antriebsschnittstelle oder der Zusatzschnittstelle oder der Ladeschnittstelle zu verbinden. Vorteilhafterweise kann dadurch das Elektrofahrzeug mittels derselben Vorrichtung bewegt werden, die den Zusatzantrieb antreibt.
Gemäß einer Ausführungsform können der Wechselrichter und die Schaltereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Vorteilhafterweise sind dadurch sowohl der Wechselrichter als auch die Schaltereinrichtung vor beispielsweise Umwelteinflüssen geschützt in dem Elektrofahrzeug angeordnet. Das gemeinsame Gehäuse kann die Größe eines typischen Wechselrichtergehäuses aufweisen.
Es wird ferner ein Verfahren zum Wandeln einer Betriebsspannung für ein Elektrofahrzeug mit einer Vorrichtung in einer der vorangegangen genannten Varianten, einer Fahrzeugbatterie und einem Zusatzantrieb, wobei das Verfahren einen Schritt des Umwandelns, einen Schritt des Verbindens und einen Schritt des Bereitstellens umfasst. Im Schritt des Umwandelns wird eine an dem ersten Anschluss des Wechselrichters anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt und die Wechselspannung an den zweiten Anschluss des Wechselrichters bereitgestellt. Weiterhin wird im Schritt des Umwandelns eine an dem zweiten Anschluss anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt die Gleichspannung an den ersten Anschluss bereitgestellt. Im Schritt des Verbindens wird der Schalteranschluss unter Verwendung eines Schaltsignals mit dem zweiten Anschluss, der Ladeschnittstelle und zusätzlich oder alternativ mit der Zusatzschnittstelle verbunden. Im Schritt des Bereitstellens wird das Boostsignal für eine Boostfunktion und das Ladesignal für eine Ladefunktion bereitgestellt.
Vorteilhafterweise kann durch das Verfahren die Boostfunktion oder die Ladefunktion aktiviert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Bestimmens des Schaltsignals abhängig von einer Betriebsfunktion des Elektrofahrzeugs umfassen. Das bedeutet, dass beispielsweise ein Fahrer des Elektrofahrzeugs mittels einer Bedieneinrichtung bestimmen kann, welche Funktion aktiviert werden soll.
Ferner kann das Verfahren gemäß einer Ausführungsform einen Schritt des Umschaltens von der Ladefunktion auf die Boostfunktion umfassen, wenn der aktuelle Energiewert unter den Grenzwert fällt, oder einen Schritt des Umschaltens von der Boostfunktion auf die Ladefunktion umfassen, wenn der aktuelle Energiewert über den Grenzwert hinaus zunimmt. Das bedeutet, dass abhängig von dem aktuellen Energiewert vorteilhafterweise automatisch zwischen der Boostfunktion und der Ladefunktion umgeschaltet werden kann.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Betriebsenergie für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Betriebsenergie für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Betriebsenergie für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Elektrofahrzeug 100 als ein elektrifizierter Lastkraftwagen realisiert. Das Elektrofahrzeug 100 weist dabei neben der Vorrichtung 102, eine Fahrzeugbatterie 104 einen Zusatzantrieb 106 und lediglich optional eine Hydraulikeinrichtung 108 auf.
Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, um eine Betriebsenergie 110 für den Zusatzantrieb 106 bereitzustellen. Die Vorrichtung 102, wie sie in einer der nachfolgenden Figuren detaillierter abgebildet ist, weist dabei eine Batterieschnittstelle 112 auf, die ausgebildet ist, um die Vorrichtung 102 mit der Fahrzeugbatterie 104 zu verbinden. Weiterhin weist die Vorrichtung 102 einen bidirektionalen Wechselrichter 114 auf, der einen hier nicht abgebildeten ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Durch den ersten Anschluss wird der Wechselrichter 114 mit der Batterieschnittstelle 112 verbunden. Weiterhin ist der Wechselrichter 114 ausgebildet, um ansprechend auf ein Boostsignal eine an dem ersten Anschluss anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln und an den zweiten Anschluss bereitzustellen, und um ansprechend auf ein Ladesignal eine an dem zweiten Anschluss anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und an den ersten Anschluss bereitzustellen.
Die Vorrichtung 102 weist weiterhin eine in einer der nachfolgenden Figuren näher beschriebene Schaltereinrichtung mit einem Schalteranschluss auf. Die Schaltereinrichtung ist dabei mit dem zweiten Anschluss des Wechselrichters 114, mit einer Zusatzschnittstelle 116 zum Verbinden der Vorrichtung 102 mit dem Zusatzantrieb 106 und mit einer Ladeschnittstelle zum Einspeisen elektrischer Energie in die Vorrichtung 102 verbunden. Dabei ist die Schaltereinrichtung ausgebildet, um die Ladeschnittstelle unter Verwendung eines Schaltsignals mit dem Schalteranschluss und um die Ladeschnittstelle unter Verwendung des Schaltsignals mit der Zusatzschnittstelle 116 zu verbinden. Die Vorrichtung 102 weist ferner eine Steuereinrichtung auf, durch die eine Boostfunktion mittels des Boostsignals und eine Ladefunktion mittels des Ladesignals bereitgestellt wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Zusatzantrieb 106 beispielsweise ausgebildet, um die Hydraulikeinrichtung 108 anzutreiben oder zu bewegen. Die Hydraulikeinrichtung 108 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Hydraulikpumpe ausgeformt, durch die beispielsweise ein Fahrzeugaufbau 118 des Elektrofahrzeugs 100 bewegt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können Funktionen des Elektrofahrzeugs 100 von einem Bediener unter Verwendung einer Bedieneinrichtung gesteuert werden. Beispielsweise ist es einem Fahrer des Elektrofahrzeugs 100 möglich, aus einer Fahrerkabine 120 des Elektrofahrzeugs 100 heraus den Zusatzantrieb 106 unter Verwendung der Bedieneinrichtung anzusteuern. Dabei ist die Bedieneinrichtung ausgebildet, um ein einen Bedienwunsch eines Bedieners repräsentierendes Bediensignal 207 an die Vorrichtung 102 bereitzustellen. Die Steuereinrichtung der Vorrichtung 102 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um das Schaltsignal und optional das Boostsignal und/oder das Ladesignal unter Verwendung des Bediensignals 115 zu bestimmen.
Mit der Umstellung auf elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge, die hier als Elektrofahrzeug 100 bezeichnet sind, ändern sich Nebenantriebsmöglichkeiten. Aufbauer, welche Arbeitsfunktionen erstellen, benötigen eine neue Schnittstelle um die Aufbauten zu betreiben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass als neue Schnittstelle die Fahrzeugbatterie 104 verwendet wird. Um der Fahrzeugbatterie 104 Energie zu entnehmen und beispielsweise einen Drehstrommotor, der hier als Zusatzantrieb 106 bezeichnet ist, zu betreiben, ist der Wechselrichter 114 erforderlich, der als Inverter ausgeführt sein kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Möglichkeit vorgestellt, um stationäre Arbeitsfunktionen eines solchen Elektrofahrzeugs 100 durchzuführen, die beispielsweise Krane, Betonpumpen, Arbeitsplattformen oder Schrotmühlen voraussetzen, und zeitgleich die Fahrzeugbatterie 104 zu schonen.
Ein solcher Ansatz bietet sich generell für Anwendungen an, die quasi stationär betrieben werden, wie zum Beispiel Betonpumpen oder Getreidemühlen, und einen hohen Energiebedarf haben. Durch eine autarke Betriebsweise, bei der die Energieversorgung ausschließlich aus der eigenen Fahrzeugbatterie 104 erfolgen würde, würden sehr große Batterien benötigt. Durch Entnahme von Energie ausschließlich aus der Fahrzeugbatterie 104 würden sich auch die fahrbaren Kilometer des Elektrofahrzeugs 100 reduzieren. Dies kann dadurch vermieden werden, dass während des Betriebs solcher Anwendungen elektrischer Energie über die Ladeschnittstelle eingespeist und zum Betreiben dieser Anwendungen verwendet wird.
In anderen Worten ausgedrückt wird eine multifunktionale Vorrichtung 102 vorgestellt, die parallel zum Laden der Fahrzeugbatterie 104 und zum Arbeiten verwendbar ist. Das bedeutet, dass die Vorrichtung 102 von beispielsweise einem Stromnetz Leistung bezieht, damit eine Arbeitsfunktion betreibt und gleichzeitig die Fahrzeugbatterie 104 lädt. Dabei hat gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Betrieb der Arbeitsfunktion Vorrang, sodass nur nicht-benötigte Leistung für die Ladefunktion verwendet wird. Zusätzlich ist es gemäß diesem Ausführungsbeispiel möglich, über denselben Pfad, das bedeutet über die Batterieschnittstelle 112 zusätzlich Leistung für die Arbeitsfunktion in Form der Boostfunktion zu verwenden.
Eine Hauptfunktion der Vorrichtung 102 ist es gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die elektrische Energie in verschiedenartige andere elektrische Energieformen umzuwandeln, um beispielsweise Antriebe, wie beispielsweise den Zusatzantrieb 106, zu bestromen, die Fahrzeugbatterie 104 aufzuladen und/oder zu schützen. Durch den Zusatzantrieb 106 sind beispielsweise mechanische Einrichtungen, Hydraulikeinrichtungen 108 oder pneumatische Einrichtungen ansteuerbar.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 zum Bereitstellen einer Betriebsenergie für einen Zusatzantrieb 106 für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Vorrichtung 102 kann der in 1 beschriebenen Vorrichtung 102 entsprechen oder zumindest ähneln und ist demnach in einem Elektrofahrzeug eingesetzt oder einsetzbar, wie es in 1 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Möglichkeit dargestellt, um die Fahrzeugbatterie 104 über die Batterieschnittstelle 112 zu laden. Der bidirektionale Wechselrichter 114 weist den ersten Anschluss 200 zum Verbinden des Wechselrichters 114 mit der Batterieschnittstelle 112 und den zweiten Anschluss 202 auf.
Der Wechselrichter 114 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ansprechend auf ein von der Steuereinrichtung 206 für die Ladefunktion bereitgestelltes Ladesignal 204 eine an dem zweiten Anschluss 202 anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und zum Laden der Fahrzeugbatterie 104 an den ersten Anschluss 200 bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 206 ferner ausgebildet, um ein Schaltsignal 207 bereitzustellen.
Die Schaltereinrichtung 208 weist den Schalteranschluss 210 auf, der die Schaltereinrichtung 208 mit dem zweiten Anschluss 202 des Wechselrichters 114 verbindet. Die Schaltereinrichtung 208 weist weiterhin die Zusatzschnittstelle 116 zum Verbinden der Vorrichtung 102 mit dem Zusatzantrieb 106 und die Ladeschnittstelle 212 zum Einspeisen elektrischer Energie 214 in die Vorrichtung 102. Die Schaltereinrichtung 208 ist dabei ausgebildet, um die Ladeschnittstelle 212 unter Verwendung des Schaltsignals 207 mit dem Schalteranschluss 210 und mit der Zusatzschnittstelle 116 zu verbinden. Lediglich optional sind der Wechselrichter 114 und die Schaltereinrichtung 208 sowie weiterhin optional die Steuereinrichtung 206 in einem gemeinsamen Gehäuse 215 angeordnet. Alternativ ist es denkbar, dass der Wechselrichter 114, die Schaltereinrichtung 208 und/oder die Steuereinrichtung 206 separat voneinander in dem Elektrofahrzeug angeordnet sind.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 206 ausgebildet, um das Ladesignal 204 bereitzustellen, wenn ein aktueller Energiewert der elektrischen Energie 214 größer ist als ein Sollwert für die Betriebsenergie oder wenn eine aktuelle Drehzahl des Zusatzantriebs 106 größer ist als eine Solldrehzahl des Zusatzantriebs 106. Das bedeutet, dass die Ladefunktion dann durchgeführt wird, wenn die in die Vorrichtung 102 eingespeiste Energiemenge größer ist als die für den Zusatzantrieb 106 benötigte Energiemenge. In diesem Fall lädt die überschüssige Energiemenge als Ladeenergie 216 die Fahrzeugbatterie 104. Die Vorrichtung 102 weist dazu gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Erfassungseinrichtung 217 zum Erfassen einer elektrischen und/oder mechanischen Leistung des Zusatzantriebs 106 auf. Die Erfassungseinrichtung 217 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ein aktuelles Leistungssignal 218 an eine Schnittstelle zu der Steuereinrichtung 206 bereitzustellen, wobei das Leistungssignal 218 die elektrische und/oder die mechanische Leistung des Zusatzantriebs 106 repräsentiert. Optional ist die Erfassungseinrichtung 217 als ein Leistungsmesser oder beispielsweise als ein Drehzahlmesser realisiert, der beispielsweise die an die Zusatzschnittstelle 116 bereitgestellte Zusatzenergie 219 oder die aktuelle Drehzahl des Zusatzantriebs 106 misst.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Schaltereinrichtung 208 lediglich optional eine Bestromungsschnittstelle 220 zum Bestromen eines mit der Bestromungsschnittstelle 220 gekoppelten Geräts auf. Dabei ist die Schaltereinrichtung 208 ebenfalls optional ausgebildet, um den Schalteranschluss 210 unter Verwendung des Schaltsignals 207 mit der Ladeschnittstelle 212, der Zusatzschnittstelle 116 und/oder der Bestromungsschnittstelle 220 zu verbinden. Ferner weist die Schaltereinrichtung 208 lediglich optional eine hier nicht dargestellte Antriebsschnittstelle auf, die beispielsweise ausgebildet ist, um einen mit der Antriebsschnittstelle verbundenen Antriebsmotor des Elektrofahrzeugs zu bestromen. Dabei ist die Schaltereinrichtung 208 ausgebildet, um den Schalteranschluss 210 unter Verwendung des Schaltsignals 207 mit der Antriebsschnittstelle, der Zusatzschnittstelle 116 oder der Ladeschnittstelle 212 zu verbinden. Dadurch wird dem Elektrofahrzeug beispielsweise eine Fahrfunktion ermöglicht. Das bedeutet, dass es denkbar ist, eine Vorrichtung 102, wie sie hier dargestellt und beschrieben ist, auch für einen Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs zu nutzen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Möglichkeit beschrieben, um ein gleichzeitiges Arbeiten und Laden der Fahrzeugbatterie 104 zu ermöglichen. Dabei wird ein Netzanschluss, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Ladeschnittstelle 212 bezeichnet ist oder mit der Ladeschnittstelle 212 verbunden ist, genutzt, um eine Arbeitsfunktion, das bedeutet den Zusatzantrieb 106 zu betreiben. Die nicht benötigte Leistung oder Energiemenge, die hier als Ladeenergie 216 bezeichnet ist, wird dabei benutzt, um die Fahrzeugbatterie 104 zu laden. Auf diese Weise werden Niedriglastphasen und Pausenzeiten der Arbeitsfunktion vorteilhaft genutzt.
Entsprechend ergibt sich die Ladeenergie 216 als Differenz aus der an der Ladeschnittstelle 212 bereitgestellten Energie und der benötigten Zusatzenergie 219.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 206 ausgebildet, um das Ladesignal 214 bereitzustellen und zugleich das Schaltsignal 207 mit einer Signalcharakteristik bereitzustellen, durch die die Schaltereinrichtung 208 so geschaltet wird, dass der Schalteranschluss 210 elektrisch leitfähig mit der Ladeschnittstelle 212 und der Zusatzschnittstelle verbunden wird. In einer weiteren Betriebsfunktion ist die Steuereinrichtung 206 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um das Schaltsignal 207 mit einer abweichenden Signalcharakteristik bereitzustellen, durch die die Schaltereinrichtung 208 so geschaltet wird, dass der Schalteranschluss 210 beispielsweise nur mit der Ladeschnittstelle 212, nur mit der Zusatzschnittstelle 116, nur mit der Bestromungsschnittstelle 220 oder mit einer an die weitere Betriebsfunktion angepassten Kombination der Schnittstellen 116, 212, 220 elektrisch leitfähig verbunden wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 215 externe Anschlüsse zum Ausformen der Batterieschnittstelle 112, der Ladeschnittstelle 212, der Zusatzschnittstelle 116 und optional der Bestromungsschnittstelle 220 auf.
Beispielsweise ist die Fahrzeugbatterie 104 als eine 650 VDC Hochvoltbatterie ausgeführt und die Batterieschnittstelle 112 umfasst Hochvoltanschlüsse. Der Wechselrichter 114 ist beispielhaft als ein DC/AC-Inverter ausgeführt. Die Bidirektionalität des Wechselrichters 114 trifft beispielsweise auf den Betrieb des Zusatzantriebs 106, 400 VAC und das Laden zu. Die Ladeschnittstelle 212 ist beispielsweise als Ladeanschluss 3-AC und die Bestromungsschnittstelle 220 beispielsweise als 400 VAC / 50 Hz Ausgang realisiert.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 102 zum Bereitstellen einer Betriebsenergie für einen Zusatzantrieb 106 für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Vorrichtung 102 kann der in 2 beschriebenen Vorrichtung 102 entsprechen oder zumindest ähneln. Ebenso ist die hier dargestellte Vorrichtung 102 in einem Elektrofahrzeug anordenbar, wie es in 1 beschrieben wurde.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der bidirektionale Wechselrichter 114 ausgebildet, um ansprechend auf ein Boostsignal 300 eine an dem ersten Anschluss 200 anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln und an den zweiten Anschluss 202 zum Betreiben des Zusatzantriebs 106 bereitzustellen. Das Boostsignal 300 wird von der Steuereinrichtung 206 bereitgestellt, um eine Boostfunktion zu bewirken. Durch die Boostfunktion wird beispielsweise eine Boostenergie 302 von der Fahrzeugbatterie 104 zusätzlich zu der an der Ladeschnittstelle 212 bereitgestellten elektrischen Energie an der Zusatzschnittstelle 116 bereitgestellt, sodass der Zusatzantrieb 106 in jedem Fall ausreichend Zusatzenergie 219 erhält. Die Zusatzenergie 219 setzt sich somit aus der von der Fahrzeugbatterie 104 und der an der Ladeschnittstelle 212 bereitgestellten Energie zusammen. Entsprechend ist die von der Fahrzeugbatterie 104 bereitgestellte Boostenergie 302 die Differenzu aus der Zusatzenergie 219 und der an der Ladeschnittstelle 212 bereitgestellten Energie.
Das bedeutet, dass die Steuereinrichtung 206 das Boostsignal 300 bereitstellt, wenn ein aktueller Energiewert der an der Ladeschnittstelle 212 anliegenden elektrischen Energie kleiner ist als ein Sollwert für die Betriebsenergie oder wenn eine aktuelle Drehzahl des Zusatzantriebs 106 kleiner ist als eine Solldrehzahl des Zusatzantriebs 106. Auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 102 dazu die als Leistungsmesser oder Drehzahlmesser realisierte Erfassungseinrichtung 217 auf.
Vorteilhafterweise ist eine Realisierung einer sich fortlaufend anpassbaren Leistungsanpassung möglich, die fortlaufend berücksichtigt, wie viel Energie geladen und wie viel Energie geboostet werden muss. Wird mehr Energie benötigt als die Ladeschnittstelle 212 bereitstellt, wird mittels der Fahrzeugbatterie 104 als Boostenergie 302 bezeichnete zusätzliche Leistung für die Arbeitsfunktion zur Verfügung gestellt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Wechselrichter 114 netzsynchron realisiert ist. Optional ist eine Verwendung eines dreiphasigen Leistungsmessers, wie beispielsweise einem Energy-Meter, der mit der Steuereinrichtung 206 der Vorrichtung 102 verbunden ist. Wenn der Zusatzantrieb 106 beispielsweise als Arbeits-E-Motor ausgeführt ist, erfolgt gemäß einem Ausführungsbeispiel, die Realisierung der Leistungsanpassung über die Drehzahl des Zusatzantriebs 106. Wenn die Solldrehzahl steigt, kann Leistung fürs Laden der Fahrzeugbatterie 104 oder gegebenenfalls einer weiteren Batterie verwendet werden. Sinkt die Solldrehzahl ist die Leistung des Stromnetzes nicht ausreichend und es muss geboostet werden, also beispielsweis der Fahrzeugbatterie 104 Energie entnommen werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Wechselrichter 114 derart ausgebildet, um zwischen der Boostfunktion und der Ladefunktion je nach Bedarf umzuschalten. Somit kann die Fahrzeugbatterie 104 geladen werden, wenn beispielsweise kurzfristig mehr elektrische Energie an der Ladeschnittstelle 212 bereitgestellt werde, wie von dem Zusatzantrieb 106 benötigt wird. Dazu ist die Steuereinrichtung 206 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um die Größen der an der Ladeschnittstelle 212 zur Verfügung stehenden und der an der Zusatzschnittstelle 116 benötigten elektrischen Energien fortlaufend abzugleichen, und je nach Größenverhältnis der Größen entweder das Boostsignal 300 bereitzustellen, wenn an der Ladeschnittstelle weniger elektrische Energie als benötigt eingespeist werden kann, oder das Ladesignal bereitzustellen, wenn an der Ladeschnittstelle mehr elektrische Energie eingespeist werden kann als an der Zusatzschnittstelle 116 benötigt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 206 ausgebildet, um das Boostsignal 230 bereitzustellen und zugleich das Schaltsignal 207 mit einer Signalcharakteristik bereitzustellen, durch die die Schaltereinrichtung 208 so geschaltet wird, dass der Schalteranschluss 210 elektrisch leitfähig mit der Ladeschnittstelle 212 und der Zusatzschnittstelle verbunden wird.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Bereitstellen einer Betriebsenergie für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung einer Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie in einer der 2 oder 3 beschrieben wurde. Das Verfahren 400 ist beispielsweise in einem Elektrofahrzeug durchführbar, wie es in 1 beschrieben wurde. Das Verfahren 400 umfasst dabei einen Schritt 402 des Umwandelns einer an dem ersten Anschluss des Wechselrichters anliegenden Gleichspannung in eine Wechselspannung und einen Schritt 404 des Bereitstellens der Wechselspannung an den zweiten Anschluss des Wechselrichters sowie einen Schritt 406 des Umwandelns einer an dem zweiten Anschluss anliegenden Wechselspannung in eine Gleichspannung sowie einen Schritt 408 des Bereitstellens der Gleichspannung an den ersten Anschluss. Die Schritte 402, 406 des Umwandelns sowie die Schritte 404, 408 des Bereitstellens sind dabei beispielsweise parallel zueinander, nacheinander oder alternativ zueinander durchführbar.
Weiterhin umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 410 des Verbindens des Schalteranschlusses unter Verwendung eines Schaltsignals mit dem zweiten Anschluss, der Ladeschnittstelle und/oder der Zusatzschnittstelle sowie einen Schritt 412 des Bereitstellens des Boostsignals für eine Boostfunktion und des Ladesignals für eine Ladefunktion. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 400 weiterhin einen Schritt 414 des Umschaltens von der Ladefunktion auf die Boostfunktion, wenn der aktuelle Energiewert unter den Grenzwert fällt oder von der Boostfunktion auf die Ladefunktion, wenn der aktuelle Energiewert über den Grenzwert hinaus zunimmt.
Weiterhin optional umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 416 des Bestimmens des Schaltsignals abhängig von einer Betriebsfunktion des Elektrofahrzeugs. Der Schritt 416 des Bestimmens wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel vor den Schritten 402, 406 des Umwandelns durchgeführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Schaltsignal oder ein das Schaltsignal bewirkendes Bediensignal von einem Nutzer mittels einer Bedieneinrichtung bereitgestellt.
Bezugszeichenliste

100: Elektrofahrzeug
102: Vorrichtung
104: Fahrzeugbatterie
106: Zusatzantrieb
108: Hydraulikeinrichtung
110: Betriebsenergie
112: Batterieschnittstelle
114: Wechselrichter
116: Zusatzschnittstelle
207: Bediensignal
118: Fahrzeuganhänger
120: Fahrerkabine
200: erster Anschluss
202: zweiter Anschluss
204: Ladesignal
206: Steuereinrichtung
207: Ladesignal
208: Schaltereinrichtung
210: Schalteranschluss
212: Ladeschnittstelle
214: elektrische Energie
215: Gehäuse
216: Ladeenergie
217: Erfassungseinrichtung
218: Leistungssignal
219: Zusatzenergie
220: Bestromungsschnittstelle
300: Boostsignal
302: Boostenergie
400: Verfahren zum Bereitstellen einer Betriebsenergie für einen Zusatzantrieb für ein Elektrofahrzeug
402: Schritt des Umwandelns einer Gleichspannung in eine Wechselspannung
404: Schritt des Bereitstellens einer Wechselspannung
406: Schritt des Umwandelns einer Wechselspannung in eine Gleichspannung
408: Schritt des Bereitstellens einer Gleichspannung
410: Schritt des Verbindens des Schalteranschlusses
412: Schritt des Bereitstellens des Boostsignals für eine Boostfunktion und des Ladesignals für eine Ladefunktion
414: Schritt des Umschaltens von der Ladefunktion auf die Boostfunktion oder von der Boostfunktion auf die Ladefunktion
416: Schritt des Bestimmens des Schaltsignals

Claims

Vorrichtung (102) zum Bereitstellen einer Betriebsenergie (110) für einen Zusatzantrieb (106) für ein Elektrofahrzeug (100), wobei die Vorrichtung (102) die folgenden Merkmale aufweist: eine Batterieschnittstelle (112) zum Verbinden der Vorrichtung (102) mit einer Fahrzeugbatterie (104) des Elektrofahrzeugs (100); einen bidirektionalen Wechselrichter (114) mit einem ersten Anschluss (200) zum Verbinden des Wechselrichters (114) mit der Batterieschnittstelle (112) und einem zweiten Anschluss (202), wobei der Wechselrichter (114) ausgebildet ist, um ansprechend auf ein Boostsignal (300) eine an dem ersten Anschluss (200) anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln und an den zweiten Anschluss (202) bereitzustellen, und um ansprechend auf ein Ladesignal (204) eine an dem zweiten Anschluss (202) anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und an den ersten Anschluss (200) bereitzustellen; und eine Schaltereinrichtung (208) mit einem Schalteranschluss (210), der die Schaltereinrichtung (208) mit dem zweiten Anschluss (202) des Wechselrichters (114) verbindet, und mit einer Zusatzschnittstelle (116) zum Verbinden der Vorrichtung (102) mit dem Zusatzantrieb (106), und mit einer Ladeschnittstelle (212) zum Einspeisen elektrischer Energie (214) in die Vorrichtung (102), wobei die Schaltereinrichtung (208) ausgebildet ist, um die Ladeschnittstelle (212) unter Verwendung eines Schaltsignals (207) mit dem Schalteranschluss (210) und unter Verwendung des Schaltsignals (207) mit der Zusatzschnittstelle (116) zu verbinden; und eine Steuereinrichtung (206), die ausgebildet ist, um für eine Boostfunktion das Boostsignal (300) bereitzustellen, und für eine Ladefunktion das Ladesignal (204) bereitzustellen .
Vorrichtung (102) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (206) ausgebildet ist, um das Ladesignal (204) bereitzustellen, wenn ein aktueller Energiewert der an der Ladeschnittstelle (212) anliegenden elektrischen Energie (214) größer ist als ein Sollwert für die Betriebsenergie (110).
Vorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (206) ausgebildet ist, um das Ladesignal (204) bereitzustellen, wenn eine aktuelle Drehzahl des Zusatzantriebs (106) größer ist als eine Solldrehzahl des Zusatzantriebs (106).
Vorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (206) ausgebildet ist, um das Boostsignal (300) bereitzustellen, wenn ein aktueller Energiewert der an der Ladeschnittstelle (212) anliegenden elektrischen Energie (214) kleiner ist als ein Sollwert für die Betriebsenergie (110).
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (206) ausgebildet ist, um das Boostsignal (300) bereitzustellen, wenn eine aktuelle Drehzahl des Zusatzantriebs (106) kleiner ist als eine Solldrehzahl des Zusatzantriebs (106).
Vorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Erfassungseinrichtung (217) zum Erfassen einer elektrischen und/oder mechanischen Leistung des Zusatzantriebs (106) und zum Bereitstellen eines aktuellen Leistungssignals (218) an eine Schnittstelle zu der Steuereinrichtung (206), wobei das Leistungssignal (218) die elektrische und/oder die mechanische Leistung des Zusatzantriebs (106) repräsentiert.
Vorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schaltereinrichtung (208) eine Bestromungsschnittstelle (220) zum Bestromen eines mit der Bestromungsschnittstelle (220) gekoppelten Geräts aufweist, und wobei die Schaltereinrichtung (208) ausgebildet ist, um den Schalteranschluss (210) unter Verwendung des Schaltsignals (207) mit der Ladeschnittstelle (212), der Zusatzschnittstelle (116) und/oder der Bestromungsschnittstelle (220) zu verbinden.
Vorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schaltereinrichtung (208) eine Antriebsschnittstelle zum Bestromen eines mit der Antriebsschnittstelle verbundenen Antriebsmotors des Elektrofahrzeugs (100) aufweist, und wobei die Schaltereinrichtung (208) ausgebildet ist, um den Schalteranschluss (210) unter Verwendung des Schaltsignals (207) mit der Antriebsschnittstelle oder der Zusatzschnittstelle (116) oder der Ladeschnittstelle (212) zu verbinden.
Vorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wechselrichter (114) und die Schaltereinrichtung (208) in einem gemeinsamen Gehäuse (215) angeordnet sind.
Verfahren (400) zum Bereitstellen einer Betriebsenergie (110) für einen Zusatzantrieb (106) für ein Elektrofahrzeug (100) mit einer Vorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte umfasst: Umwandeln (402) einer an dem ersten Anschluss (200) des Wechselrichters (114) anliegenden Gleichspannung in eine Wechselspannung und Bereitstellen (404) der Wechselspannung an den zweiten Anschluss (202) des Wechselrichters (114), und Umwandeln (406) einer an dem zweiten Anschluss (202) anliegenden Wechselspannung in eine Gleichspannung und Bereitstellen (408) der Gleichspannung an den ersten Anschluss (200); Verbinden (410) des Schalteranschlusses (210) unter Verwendung eines Schaltsignals (207) mit dem zweiten Anschluss (202), der Ladeschnittstelle (212) und/oder der Zusatzschnittstelle (116); und Bereitstellen (412) des Boostsignals (300) für eine Boostfunktion und des Ladesignals (204) für eine Ladefunktion.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 10, mit einem Schritt (416) des Bestimmens des Schaltsignals (207) abhängig von einer Betriebsfunktion des Elektrofahrzeugs (100).
Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, mit einem Schritt (414) des Umschaltens von der Ladefunktion auf die Boostfunktion, wenn der aktuelle Energiewert unter den Grenzwert fällt oder von der Boostfunktion auf die Ladefunktion, wenn der aktuelle Energiewert über den Grenzwert hinaus zunimmt.